第3章+进程同步与通信

life(anv尤oe nnootteezyuoou){
leavief（nonteoyfeoeud）{
13:0fe5ed lfeiasvhe notezuo }13:10 if(no noteyou)
鱼fe饿ed死fi了sh！ }
r}1e3m:o2v5e notezuo
ifr(enmo noovteenzuoote)you }
开锁原语unlock（x）： x：=0；
将鱼缸和鱼放在一个房间里，确保一次只能进入一 个人。
左怡：
lock( ) if（nofeed）{
feed fish } unlock( )
尤尔：
lock( ) if（nofeed）{
feed fish } unlock( )
喂鱼的动作是不需要在持有锁的状态下进行的，只 需将检查字条和留字条的两步操作加锁。
由于进程的执行可以任意穿插，会出现什么情况呢？
13:00 13:05 13:10 13:25
事件时序表
左
尤
if(nofeed)
if(nofeed) feed fish
feed fish
鱼胀死了！
两人商定：每个人在喂鱼之前先留下字条，告诉对方自己 将检查鱼缸并在需要时喂鱼。
左怡：
事件时序尤表尔：
左怡：
lock( ) if(no noteyou) leave notezuo
unlock( ) if(no noteyou){ if（nofeed）{
feed fish } remove notezuo }
尤尔：
lock( ) if(no noteyou) leave notezuo
unlock( ) if(no notezuo){ if（nofeed）{
临界区; flag[0] =false; 剩余区;
//进程P1 flag[1]=true;
while ( flag[0] ) ;
临界区; flag[1] =false ; 剩余区;
互斥实现的软件方法
先修改、后检查、后修改算法
//进程P0
flag[0]=true;
标志flag[0]表
示P0想进入临 //进程P1
并发的多个进程之间可能存在着间接或直接的关系：竞争 资源、协作执行、传递信息。要使得这些并发进程都能正确执 行，操作系统必须提供一定的机制加以控制和管理。
3.1 进程同步与互斥 3.2 经典进程同步问题 3.3 AND信号量 3.4 管程 3.5 进程通信
【教学目标】 （1）了解管道和进程通信的概念 （2）理解进程同步与互斥的概念、信号量机制 （3）掌握几种经典进程的同步问题
界区。
flag[1]=true;
标志turn表示
要进入等待的 进程标识。
turn=1;
turn=0;
while (flag[1]) && (turn==1)
while (flag[0]) && (turn==0)
;
临界区; flag[0] =false ; 剩余区;
;
临界区; flag[1] =false ; 剩余区;
锁机制
大部分同步方案均采用某个物理实体 实现通信，进程通信原语中关锁（lock ）和开锁（unlock）是最简单的原语。 在这两个原语中设置一个公共变量x（ 锁位）代表某个临界资源的状态。如 ：x=0，表示资源可用，x=1，表示资 源正在使用。
关锁原语1ock（x）： L：if x＝1 then goto L else x：=1；
● 进程进入临界区时，先查看 临界资源是否被使用，若正 在使用，该进程等待，否则 进入。解决了“空闲让进” 问题。
●缺点：可能同时进入临界区， 不能保证“忙则等待”。
//进程P0 while ( flag[1] )
; flag[0]=true; 临界区; flag[0] =false; 剩余区;
//进程P1 while ( flag[0] )
【教学重点和难点】 （1）重点：
1. 信号量 2. 几种经典进程的同步问题
（2）难点：几种经典进程的同步问题
进程的交互 1、进程之间不知道对方的存在 2、进程间接知道对方的存在 3、进程直接得知对方
OS引入进程后，由于进程的异步性，可能会导致 程序执行结果的不确定性，使程序执行时出现 不可 再现性。
while ( TS(lock) )
boolean lock; { boolean temp;
temp = lock; lock = true; return temp;}
; 临界区; lock = false; 剩余区;
● Lock有两种状态： ●当lock=false时，表示资源空闲; ●当lock=true时，表示资源正在被使用。
量COUNT（COUNT的初
值为5）
P1: {
临界资源
R1=COUNT;
R1=R1+1;
COUNT=R1; }
P2: {
R2=COUNT;
R2=R2+1;
COUNT=R2; }
分析：
● 1）执行顺序P2→P1 执行结果：
P1：COUNT为7 P2：COUNT为6
● 2）执行顺序
P1：{R1=COUNT} P2：{R2=COUNT} P1：{R1=R1+1；COUNT=R1} P2：{R2=R2=1；COUNT=R2}
通过系统内核“关中断” 确保进入临界区的进程执 行不能被中断。
实现简单，但进程被限制 只能交替执行。在多处理 机环境中效果不好。
●专用机器指令 ●TS（Test and Set）指令
读出指定标 志后将该标 志设置为 true。
●Swap指令
交换两个字节的内容。
互斥实现的软件方法
单标志算法
●设置公共整型变量 turn，用于指示进入 临界区的进程编号 i(i=0,1)。使P0、P1 轮流访问临界资源。
if(noNote){ 左 13ilf:e（0a0vneonfeoetdeif）(n{oNote) 13:0fe5ed fish
}13:10 r}1e3m:o2v5e noteleave noΒιβλιοθήκη e 13:50 if(nofeed)
if(n尤loeNavoeten){ote
ifi(fn（oNnoofteee) d）{ feed fish
P1、P2不能并发执行
P1和P2同时访问临 界资源COUNT，必 须对它们的执行顺 序加以一定的限制
临界区进入准则
●空闲让进
访问临界资源的进程可 描述为如下模型：
当无进程处于临界区时， 临界资源处于空闲状态。此时 允许进程进入临界区。
While(1) { 进入区 临界区
●忙则等待
访问临界资源 的那段代码
13:50 remove notezuo
14:05
remove noteyou
为确保有一个人喂鱼，必须有人留下字条后不能立即走开 ，检查到有对方的字条后要一直等待，直到对方喂完鱼拿 掉字条。
左怡：
leave notezuo while(noteyou){
do nothing }
if（nofeed）{ feed fish
保证了“有空让进”和“忙则等待”。
用软件方法实现的是两个进程 的互斥，对于更多个进程之间 的互斥实现会更复杂。这种方
法局限性太大！
专用机器指令
TS（Test and Set）指令
当lock为true 时，执行空操
//TS指令：
作，实现循环
//TS指令的使用 测试等待。
boolean TS(lock);
左怡： if（nofeed）{
feed fish }
尤尔： if（nofeed）{
feed fish }
问题：左怡和尤尔合
住一套公寓，但不常
见面。他们共同养了
一条金鱼，金鱼每天
只能进食一顿，多一 顿为会了胀养死活，鱼少，一他顿们就 饿约死定。如下： 每天喂
鱼一次，且仅一次。 如果今天左怡喂了鱼， 尤尔今天就不能再喂， 反之亦然。 如果今天左 怡没喂鱼，尤尔就必 须喂，反之亦然。
问题。
让权等待
信号量和PV操作
信号量的定义
struct semaphore {
int value; struct PCB *queue; }
P(S)和V(s)操作具体 实现？ 如何使用PV操作控制 互斥和同步？
; flag[1]=true; 临界区; flag[1] =false; 剩余区;
互斥实现的软件方法
双标志、先修改后检查算法
● 两进程先后同时作 flag[i]=true;
● 缺点：保证了不同 时进入临界区，但又 可能都进不去。不能 保证“空闲让进”。
//进程P0 flag[0]=true;
while ( flag[1] ) ;
●为了实现互斥，设布尔变量lock，其初值为false, 表示资源空闲。
为每个临界资源设置 一个布尔变量，在进 入区和退出区设置状 态值；进入临界区前 先测试变量值以检测 是否能进入。
swap指令
// SWAP指令： void swap(a,b); boolean a,b; { boolean temp; temp = a; a = b; b=temp; }
当已有进程进入临界区时， 临界资源正在被访问，其他想 进入临界区的进程必须等待。
●有限等待
退出区
对于要求访问临界资源的 进程，应保证在有效的时间内 进入，以免进入“死等”状态。
剩余区 }
●让权等待
当进程不能进入临界区时， 应立即释放处理机，以免进程 进入“忙等”。
互斥实现的方法 ●禁止中断 ●软件方法